(57)【要約】  ランキンサイクルシステム１００は、過熱器８と、この過熱器８から供給された気化冷媒である蒸気によって駆動されてエネルギ回収を行う膨張器１０を備える。膨張器１０は、蒸気を排出する第１の排出口１０ａ１と、膨張器１０の内部で蒸気が凝縮して生成された液化冷媒を排出する第２の排出口１０ａ２とを備える。ランキンサイクルシステム１００は、第１の排出口１０ａ１に接続され、膨張器１０から蒸気を排出する第１の排出通路１１と、第１の排出通路１１を通じて蒸気が導入され、導入された蒸気を凝縮して液化冷媒とするコンデンサ１２を備える。コンデンサ１２において生成された液化冷媒は凝縮水タンク１４に貯留される。第２の排出口１０ａ２と凝縮水タンク１４とは、第２の排出通路１５によって接続されている。
2011118000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
過熱器と、
前記過熱器から供給された気化冷媒である蒸気によって駆動されてエネルギ回収を行い、蒸気を排出する第１の排出口と、内部で前記蒸気が凝縮して生成された液化冷媒を排出する第２の排出口とを備えた膨張器と、
前記第１の排出口に接続され、前記膨張器から前記蒸気を排出する第１の排出通路と、
前記第１の排出通路を通じて前記蒸気が導入され、前記蒸気を凝縮して液化冷媒とするコンデンサと、
前記コンデンサにおいて生成された液化冷媒を貯留する凝縮水タンクと、
前記第２の排出口と前記凝縮水タンクとを接続し、前記膨張器から前記液化冷媒を排出する第２の排出通路と、
を、備えたことを特徴としたランキンサイクルシステム。
【請求項２】
前記第２の排出口は、前記膨張器の下部に設けられたことを特徴とする請求項１記載のランキンサイクルシステム。
【請求項３】
前記凝縮水タンク内の液面高さは、当該液面高さと前記第２の排出通路内の最低液面との差をΔｈとし、前記蒸気が前記第１の排出通路を通って前記膨張器から前記コンデンサへ流入するときの圧力損失をΔＰｔｏ、前記液化冷媒の密度をρ、重力加速度をｇとしたときに、
Δｈ＞ΔＰｔｏ／ρｇ
の関係を満足することを特徴とする請求項１又は２記載のランキンサイクルシステム。
【請求項４】
前記第２の排出通路の前記凝縮水タンクへの接続位置は、前記第２の排出通路内の最低液面よりも上側であることを特徴とした請求項１乃至３のいずれか一項記載のランキンサイクルシステム。
【請求項５】
前記第２の排出口の口径は、前記第１の排出口の口径よりも小径としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載のランキンサイクルシステム。
【請求項６】
前記第２の排出通路の流路面積は前記第１の排出通路の流路面積よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載のランキンサイクルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクルシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の稼動に伴う廃熱を回収するランキンサイクルが知られている。このようなランキンサイクルには、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造として沸騰冷却を行うようにし、エンジンにおける廃熱によって気化した冷媒、すなわち蒸気によって蒸気タービンのような膨張器を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギを電気エネルギ等に変換して回収するものがある。このようなランキンサイクルシステムを改良するものとして、例えば特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１０３０６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１の提案では、例えば、内燃機関の冷間始動時において、以下のような不都合が生じるおそれがある。内燃機関の冷間時は、通常、膨張器の温度も低い。低温状態の膨張器に蒸気が供給されると、蒸気は、膨張器内で凝縮し、液化冷媒に戻ってしまう。膨張器内で生成された液化冷媒は、膨張器内に貯留し、膨張器駆動の抵抗となって膨張器の劣化や破損を招くおそれがある。車両にランキンサイクルシステムを搭載する場合、膨張器が冷間状態となる場合は頻繁に訪れるため、上記のような膨張器の劣化や破損の問題を解決することは必須である。このような膨張器の劣化や破損を抑制するために、内燃機関の暖機時において膨張器への蒸気の流入を抑制する制御弁を設けること等も考えられる。ところが、これらの制御を実現するためには制御弁を作動させるアクチュエータや、制御タイミングを設定するための温度センサ、若しくは温度を推定するためのロジックの構築等が必須となり、コスト高になる。【０００５】
そこで、本明細書開示のランキンサイクルシステムは、蒸気タービンのような膨張器における液化冷媒の生成に起因する膨張器の劣化や破損を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本明細書開示のランキンサイクルシステムは、過熱器と、前記過熱器から供給された気化冷媒である蒸気によって駆動されてエネルギ回収を行い、蒸気を排出する第１の排出口と、内部で前記蒸気が凝縮して生成された液化冷媒を排出する第２の排出口とを備えた膨張器と、前記第１の排出口に接続され、前記膨張器から前記蒸気を排出する第１の排出通路と、前記第１の排出通路を通じて前記蒸気が導入され、前記蒸気を凝縮して液化冷媒とするコンデンサと、前記コンデンサにおいて生成された液化冷媒を貯留する凝縮水タンクと、前記第２の排出口と前記凝縮水タンクとを接続し、前記膨張器から前記液化冷媒を排出する第２の排出通路と、を、備えたことを特徴としている。【０００７】
膨張器は、第２の排出口を備えることにより、膨張器が冷間状態であるときに膨張器の内部で凝縮して生成される液化冷媒を排出することができる。膨張器内から液化冷媒を排出することができれば、膨張器の駆動負荷を低減することができる。この結果、膨張器の劣化や破損を抑制することができる。【０００８】
前記第２の排出口は、前記膨張器の下部に設けられることが望ましい。膨張器の内部形状等を考慮して、液化冷媒を効率よく排出する趣旨である。通常、膨張器の下部に第２の排出口を設けることにより、液化冷媒を流出させることができる。【０００９】
前記凝縮水タンク内の液面高さは、当該液面高さと前記第２の排出通路内の最低液面との差をΔｈとし、前記蒸気が前記第１の排出通路を通って前記膨張器から前記コンデンサへ流入するときの圧力損失をΔＰｔｏ、前記液化冷媒の密度をρ、重力加速度をｇとしたときに、Δｈ＞ΔＰｔｏ／ρｇの関係を満足することが望ましい。【００１０】
凝縮水タンク内の液面高さが、このような関係を満足する状態に維持されていれば、第２の排出口を蒸気が通過することを抑制することができる。【００１１】
また、前記第２の排出通路の前記凝縮水タンクへの接続位置は、前記第２の排出通路内の最低液面よりも上側とすることができる。例えば、第２の排出通路をＵ字管によって形成した場合、第２の排出通路の最低液面は、Ｕ字管のＵ字状部となって、Δｈを大きく設定することができる。Δｈを大きく設定することができれば、第２の排出口の蒸気通過を効果的に抑制することができる。【００１２】
さらに、前記第２の排出口の口径は、前記第１の排出口の口径よりも小径とすることができる。第１の排出口の口径と第２の排出口の口径との関係をこのように設定することにより、第２の排出口の蒸気通過を効果的に抑制することができる。また、第１の排出口の口径が大きくなれば圧力損失ΔＰｔｏを小さくすることができ、第２の排出口の蒸気通過抑制に効果がある。【００１３】
また、前記第２の排出通路の流路面積は前記第１の排出通路の流路面積よりも小さいことが望ましい。例えば、第２の排出通路を形成する配管の内径を、第１の排出通路を形成する配管の内径よりも小径とすることによって上記の式で表された関係を実現することができる。第２の排出通路の流路面積と第１の排出通路の流路面積との関係をこのように設定することにより、第２の排出口の蒸気通過を効果的に抑制することができる。また、第１の排出通路の流路面積が大きくなれば圧力損失ΔＰｔｏを小さくすることができ、第２の排出口の蒸気通過抑制に効果がある。
【発明の効果】
【００１４】
本明細書開示のランキンサイクルシステムによれば、膨張器における液化冷媒の生成に起因する膨張器の劣化や破損を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、実施例のランキンサイクルシステムの概略構成図である。
【図２】図２は、図１におけるＡ部を拡大して示した説明図である。
【図３】図３は、第２の排出通路の他の形状を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例】
【００１７】
ランキンサイクルシステム１００の概略構成について図１、図２を参照しつつ説明する。図１は、ランキンサイクルシステム１００の概略構成図である。図２は、図１におけるＡ部を拡大して示した説明図である。ランキンサイクルシステム１００は、内部で冷媒が沸騰することにより冷却されるエンジン１を備えている。エンジン１は、蒸気発生器に相当する内燃機関の一例である。エンジン１は、シリンダブロック１ａとシリンダヘッド１ｂを備える。シリンダブロック１ａ及びシリンダヘッド１ｂ内にはウォータジャケットが形成されており、このウォータジャケット内の冷媒が沸騰することによってエンジン１の冷却が行われる。このときエンジン１は、蒸気を発生させる。エンジン１は、さらに、排気管２を備える。エンジン１のシリンダヘッド１ｂには、蒸気通路３の一端が接続されている。【００１８】
蒸気通路３には、気液分離器４が配設されている。エンジン１側から気液混合状態で気液分離器４に流入した冷媒は、気液分離器４内で気相（蒸気）と液相（液化冷媒）とに分離される。気液分離器４の下端部には、冷媒循環路５の一端が接続されている。この冷媒循環路５の他端はシリンダブロック１ａに接続されている。また、冷媒循環路５には、エンジン１内に液化冷媒を圧送する第１ウォーターポンプ６が配設されている。この第１ウォーターポンプ６は、いわゆるメカ式であり、エンジン１が備えるクランクシャフトを駆動源としている。この第１ウォーターポンプ６により、液化冷媒が、エンジン１と気液分離器４との間を循環する。【００１９】
蒸気通路３には、過熱器８が設けられている。過熱器８は、下側に蒸発部８ａを備え、その上側に過熱部８ｂを備えている。過熱器８には、排気管２が引き込まれている。排気管２の内部には、エンジン１で発生した排気ガスが流通する。排気管２は、排気ガスが過熱部８ｂ、蒸発部８ａの順に通過するように過熱器８を貫通している。蒸発部８ａには、液化冷媒通路７の一端が接続されている。排気ガスは、気液分離器４を通過した蒸気と熱交換をする。液化冷媒通路７の他端は、気液分離器４の下端部に接続されている。液化冷媒通路７には開閉弁７ａが設けられている。この開閉弁７ａの開閉状態によって、気液分離器４から蒸発部８ａへの液化冷媒の供給状態が決定される。蒸発部８ａに供給された液化冷媒は、過熱部８ｂで蒸気を過熱した後の排気ガスの熱によって、蒸気化することができる。これにより、蒸気発生量が増大すると共に、蒸気の過熱度が向上し、廃熱回収効率が向上する。過熱部８ｂの上端部には、蒸気排出管３ａが設けられている。蒸気排出管３ａの先端部には、ノズル９が設けられている。【００２０】
過熱器８の下流側には、膨張器１０が配設されている。膨張器１０は、過熱器８から供給された気化冷媒、すなわち蒸気によって駆動されてエネルギ回収を行う。膨張器１０は、ケース１０ａと、このケース１０ａに設けられたタービン翼１０ｂとを備えた蒸気タービンである。ノズル９は、蒸気通路３を通じて供給された蒸気がタービン翼１０ｂに向かって噴射されるようにケース１０ａに取り付けられている。これにより、タービン翼１０ｂは、蒸気通路３を通じて供給された蒸気により回転駆動される。タービン翼１０ｂの回転力は、エンジン１が備えるクランクシャフトの回転を補助したり、発電機を駆動したりする。これにより、廃熱の回収が行われる。【００２１】
膨張器１０のケース１０ａには、蒸気を排出する第１の排出口１０ａ１と、内部で蒸気が凝縮して生成された液化冷媒を排出する第２の排出口１０ａ２を備えている。ここで、第２の排出口１０ａ２は、膨張器１０のケース１０ａ内の液化冷媒を排出できるように、膨張器１０のケース１０ａの下部に設けられている。第２の排出口１０ａ２の口径Ｄ２は、第１の排出口１０ａ１の口径Ｄ１よりも小さくなっている。すなわち、Ｄ２＜Ｄ１の関係となっている。【００２２】
第１の排出口１０ａ１には、第１の排出通路１１の一端が接続されている。第１の排出通路１１の他端はコンデンサ１２に接続されている。第１の排出通路１１は、膨張器１０から蒸気を排出し、排出した蒸気をコンデンサ１２に導入する。コンデンサ１２は、蒸気を冷却することによって凝縮して液化冷媒を生成する。コンデンサ１２は、ファン１３による送風を受けて、効率よく蒸気を冷却、凝縮することができる。コンデンサ１２の下部にはコンデンサ１２において生成された液化冷媒を貯留する凝縮水タンク１４が設置されている。【００２３】
第２の排出口１０ａ２には、第２の排出通路１５の一端が接続されている。第２の排出通路１５の他端は凝縮水タンク１４に接続されている。このような第２の排出通路１５は、膨張器１０から液化冷媒を凝縮水タンク１４へ排出する。凝縮水タンク１４内には、コンデンサ１２で冷却された液化冷媒が貯留されている。膨張器１０内で凝縮した液化冷媒は、凝縮水タンク１４内へ排出されることにより、コンデンサ１２で冷やされた液化冷媒と混合して温度が下げられる。第２の排出通路１５の流路面積Ｓ２は第１の排出通路１１の流路面積Ｓ１よりも小径である。すなわち、Ｓ２＜Ｓ１の関係となっている。【００２４】
凝縮水タンク１４の下流側には、凝縮水タンク１４内に一旦貯留された液化冷媒をエンジン１側へ再循環させる冷媒回収路１６が設けられている。冷媒回収路１６は、冷媒循環路５の第１ウォーターポンプ６の上流側に接続されている。冷媒回収路１６には第２ウォータポンプ１７が配設されている。この第２ウォータポンプ１７は、電気式のベーンポンプとなっている。第２ウォータポンプ１７が稼動状態となると、凝縮水タンク１４内の液化冷媒が冷媒循環路５へ供給される。また、第２ウォータポンプ１７の下流には、冷媒の逆流を回避するための一方弁１８が配設されている。以上のように、ランキンサイクルシステム１００は、冷媒が循環する経路を備えている。【００２５】
ランキンサイクルシステム１００が備える第１の排出口１０ａ１の口径Ｄ１と第２の排出口１０ａ２の口径Ｄ２は、前記のようにＤ２＜Ｄ１の関係を有している。また、ランキンサイクルシステム１００が備える第１の排出通路１１の流路面積Ｓ１と第２の排出通路１５の流路面積Ｓ２は、前記のようにＳ２＜Ｓ１の関係を有している。これらの関係の維持は、第２の排出口１０ａ２の蒸気通過抑制に効果的である。ランキンサイクルシステム１００において、膨張器１０内に供給された蒸気は、極力、第１の排出口１０ａ１から排出されることが望まれる。仮に凝縮していない気化冷媒である蒸気が第２の排出口１０ａ２から排出されると、蒸気は、第２の排出通路１５、凝縮水タンク１４を通過してコンデンサ１２に流入する。すなわち、コンデンサ１２に対する本来の流入方向とは異なる方向から蒸気が流入する。このように、コンデンサ１２に本来とは異なる方向から蒸気が流入すると、コンデンサ１２の機能が損なわれる。すなわち、コンデンサ１２は、上側から導入された蒸気が凝縮水タンク１４に到達するまでの間に熱交換によって蒸気を冷却して凝縮し、液化冷媒を生成する。凝縮水タンク１４側から高温の蒸気が流入すると、コンデンサ１２の機能が損なわれることになる。また、凝縮水タンク１４内の液化冷媒の温度も上昇してしまう。凝縮水タンク１４内の液化冷媒は、再度、エンジン１に供給されて、エンジン１の冷却に用いられる。このため、凝縮水タンク１４内の液化冷媒の温度をできるだけ低温に保っておきたいという要求もある。【００２６】
第２の排出口１０ａ２から蒸気が排出されることを回避するために、ランキンサイクルシステム１００は、以下の式（１）の関係を満足している。
Δｈ＞ΔＰｔｏ／ρｇ        式（１）
Δｈ：凝縮水タンク１４内の液面高さと第２の排出通路１５内の最低液面との差
ΔＰｔｏ：蒸気が第１の排出通路１１を通って膨張器１０からコンデンサ１２へ流入するときの圧力損失
ρ：液化冷媒の密度
ｇ：重力加速度
ここで、本実施例におけるΔｈは、図１及び図２に示すように、Δｈ＝Δｈ１である。また、本実施例におけるΔＰｔｏは、図１及び図２においてＢで示した範囲の圧力損失としている。【００２７】
このような式（１）の関係を満たすことにより、蒸気が第２の排出口１０ａ２から排出されることを回避することができる。式（１）の関係を満たすためには、Δｈの値をできるだけ大きくし、ΔＰｔｏの値をできるだけ小さく設定することが有効である。第１の排出口１０ａ１の口径Ｄ１を大きく設定したり、第１の排出通路１１の流路面積Ｓ１を大きく設定したりすることによって、ΔＰｔｏの値を小さくすることができる。【００２８】
一方、Δｈを大きく設定するために、第２の排出通路１５を図３に示すような第２の排出通路１５１に置き換えることができる。図３に示すように、第２の排出通路１５１の凝縮水タンク１４への接続位置Ｐ１は、第２の排出通路１５１内の最低液面１５１ａよりも上側となっている。第２の排出通路１５１の形状をＵ字状とすることによって、最低液面１５１ａが下げられている。これにより、Δｈ２が確保されている。Δｈ２は、図３から明らかなように、第２の排出通路１５を用いた場合のΔｈ１よりも大きい。この結果、Δｈ２は、式（１）の条件を満足しやすい。【００２９】
以上説明したように、本明細書開示のランキンサイクルシステムによれば、膨張器１０内で生成される液化冷媒を効率的に排出することができる。この結果、膨張器１０における液化冷媒の生成に起因する膨張器の劣化や破損を抑制することができる。この際、膨張器１０内から液化冷媒を排出するための格別な制御装置は不要であるので、コスト面でも有利である。【００３０】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【符号の説明】
【００３１】
１…エンジン
２…排気管
３…蒸気通路
３ａ１…蒸気排出管
４…気液分離器
５…冷媒循環路
６…第１ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）
７…液化冷媒通路
８…過熱器
８ａ…蒸発部
８ｂ…過熱部
９…ノズル
１０…膨張器
１０ａ…タービンケース
１０ｂ…タービン翼
１１…第１の排出通路
１２…コンデンサ
１３…ファン
１４…凝縮水タンク
１５、１５１…第２の排出通路
１６…冷媒回収路
１７…第２ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）
１８…一方弁
１００…ランキンサイクルシステム
【図１】
2011118000.tif 000003
【図２】
2011118000.tif 000004
【図３】
2011118000.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成23年5月17日(2011.5.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
過熱器と、
前記過熱器から供給された気化冷媒である蒸気によって駆動されてエネルギ回収を行い、蒸気を排出する第１の排出口と、内部で前記蒸気が凝縮して生成された液化冷媒を排出する第２の排出口とを備えた膨張器と、
前記第１の排出口に接続され、前記膨張器から前記蒸気を排出する第１の排出通路と、
前記第１の排出通路を通じて前記蒸気が導入され、前記蒸気を凝縮して液化冷媒とするコンデンサと、
前記コンデンサにおいて生成された液化冷媒を貯留する凝縮水タンクと、
前記第２の排出口と前記凝縮水タンクとを接続し、前記膨張器から前記液化冷媒を排出する第２の排出通路と、
を、備え、
前記凝縮水タンク内の液面高さは、当該液面と前記第２の排出通路内の最低液面との高さの差をΔｈとし、前記蒸気が前記第１の排出通路を通って前記膨張器から前記コンデンサへ流入するときの圧力損失をΔＰｔｏ、前記液化冷媒の密度をρ、重力加速度をｇとしたときに、
Δｈ＞ΔＰｔｏ／ρｇ
の関係を満足することを特徴とするランキンサイクルシステム。
【請求項２】
前記第２の排出口は、前記膨張器の下部に設けられたことを特徴とする請求項１記載のランキンサイクルシステム。
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
前記第２の排出通路の前記凝縮水タンクへの接続位置は、前記第２の排出通路内の最低液面よりも上側であることを特徴とした請求項１又は２記載のランキンサイクルシステム。
【請求項５】
前記第２の排出口の口径は、前記第１の排出口の口径よりも小径としたことを特徴とする請求項１、２又は４のいずれか一項記載のランキンサイクルシステム。
【請求項６】
前記第２の排出通路の流路面積は前記第１の排出通路の流路面積よりも小さいことを特徴とする請求項１、２、４又は５のいずれか一項記載のランキンサイクルシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
実現するためには制御弁を作動させるアクチュエータや、制御タイミングを設定するための温度センサ、若しくは温度を推定するためのロジックの構築等が必須となり、コスト高になる。
［０００５］
そこで、本明細書開示のランキンサイクルシステムは、蒸気タービンのような膨張器における液化冷媒の生成に起因する膨張器の劣化や破損を抑制することを課題とする。
課題を解決するための手段
［０００６］
かかる課題を解決するために、本明細書開示のランキンサイクルシステムは、過熱器と、前記過熱器から供給された気化冷媒である蒸気によって駆動されてエネルギ回収を行い、蒸気を排出する第１の排出口と、内部で前記蒸気が凝縮して生成された液化冷媒を排出する第２の排出口とを備えた膨張器と、前記第１の排出口に接続され、前記膨張器から前記蒸気を排出する第１の排出通路と、前記第１の排出通路を通じて前記蒸気が導入され、前記蒸気を凝縮して液化冷媒とするコンデンサと、前記コンデンサにおいて生成された液化冷媒を貯留する凝縮水タンクと、前記第２の排出口と前記凝縮水タンクとを接続し、前記膨張器から前記液化冷媒を排出する第２の排出通路と、を、備えたことを特徴としている。
［０００７］
膨張器は、第２の排出口を備えることにより、膨張器が冷間状態であるときに膨張器の内部で凝縮して生成される液化冷媒を排出することができる。膨張器内から液化冷媒を排出することができれば、膨張器の駆動負荷を低減することができる。この結果、膨張器の劣化や破損を抑制することができる。
［０００８］
前記第２の排出口は、前記膨張器の下部に設けられることが望ましい。膨張器の内部形状等を考慮して、液化冷媒を効率よく排出する趣旨である。通常、膨張器の下部に第２の排出口を設けることにより、液化冷媒を流出させることができる。
［０００９］
前記凝縮水タンク内の液面高さは、当該液面と前記第２の排出通路内の最低液面との高さの差をΔｈとし、前記蒸気が前記第１の排出通路を通って前記
【国際調査報告】
2011118000.tif 000006
2011118000.tif 000007
2011118000.tif 000008
2011118000.tif 000009